KR100617781B1 - Apparatus and method for improving image quality in a image sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CMOS 이미지 센서를 사용하여 이미지를 촬영하는 장치에서 촬상된 이미지에 대한 화질을 개선하기 위한 장치 및 방법을 제안한다. 이를 위해 본 발명에서는 촬상된 영상신호에 대한 블랙 레벨을 조정하고, 상기 블랙 레벨이 조정된 영상신호에 대한 니 보정을 통해 표현 가능한 영상신호의 밝기를 확장한다. 또한 영상신호에 대한 감마 보정에 선행하여 불량 화소를 복원하는 보간이 이루어질 수 있도록 한다.The present invention proposes an apparatus and method for improving the image quality of a captured image in a device for capturing an image using a CMOS image sensor. To this end, the present invention adjusts the black level of the captured image signal, and extends the brightness of the image signal that can be expressed by correcting the knee of the image signal whose black level is adjusted. In addition, interpolation may be performed to restore defective pixels prior to gamma correction on the image signal.
CMOS image sensor, black level, knee correction, white balance, gamma correctionCMOS image sensor, black level, knee correction, white balance, gamma correction
Description
도 1은 통상적인 이미지 처리 절차를 보이고 있는 도면.1 illustrates a conventional image processing procedure.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 처리장치의 구조를 보이고 있는 도면.2 is a view showing the structure of an image processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 3 내지 도 5는 도 2에서의 영상신호 조정부의 예들을 보이고 있는 도면.3 to 5 show examples of the image signal adjusting unit of FIG.
도 6은 노광 시간을 조절함으로써, 입력 영상신호와 휘도(Luminance)의 관계를 보이고 있는 도면.6 is a diagram showing a relationship between an input image signal and luminance by adjusting an exposure time.
도 7은 노광 시간과 기울기의 비(Gradient ratio)간의 관계를 보이고 있는 도면.FIG. 7 shows the relationship between exposure time and gradient ratio. FIG.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 블랙 레벨의 측정을 설명하기 위한 도면.8 is a view for explaining the measurement of the black level according to an embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 블랙 레벨 조정을 통해 이미지 데이터의 입력 밝기와 출력 밝기의 관계를 보이고 있는 도면.9 is a diagram illustrating a relationship between input brightness and output brightness of image data through black level adjustment according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 knee 보정에 의한 입/출력 영상신호의 관계를 보이고 있는 도면.10 is a view showing the relationship between the input / output video signal by the knee correction according to an embodiment of the present invention.
도 11은 통상적인 감마 보정을 개념적으로 보이고 있는 도면.11 conceptually illustrates conventional gamma correction.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 감마 보정을 통해 획득하고자 하는 영상신호의 출력 파형을 보이고 있는 도면.12 is a view showing an output waveform of an image signal to be obtained through gamma correction according to an embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 감마 보정을 설명하기 위한 도면.13 is a view for explaining gamma correction according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 knee 보정 절차를 위한 제어 흐름을 보이고 있는 도면.14 is a diagram illustrating a control flow for a knee correction procedure according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 촬상된 이미지의 화질을 개선하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an image sensor, and more particularly, to an apparatus and a method for improving the image quality of a captured image.
최근 들어 영상기기의 급속한 발전으로 인해 이미지 센서에 대한 개발이 가속화되고 있다. 상기 이미지 센서는 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 찍어내는 장치를 통칭한다. 통상적으로 자연계에 존재하는 피사체의 각 부분은 빛의 밝기 및 파장 등이 서로 다르다. 따라서 상기 이미지 센서는 렌즈를 통해 빛의 밝기 및 파장 등에 의해 얻어진 빛 에너지(광자)를 전기적인 신호(전하)로 변환하는 기능을 수행한다. 이러한 이미지 센서의 대표적인 것으로, 전하결합소자(Charge Coupled Device : 이하 CCD라 칭함) 이미지 센서와 상보성 금속 산화막 반도체(Complimentary Metal Oxide Semiconductor : 이하 CMOS라 칭함) 이미지 센서가 있다. 상기 두 종류의 이미지 센서들은 주사된 빛에서 그 강약에 따 른 전하를 생성하는 광 검출기(Photo Detector)와, 그 전하를 외부로 전달하는 회로로 구성된다. 이러한 구성을 가지는 상기 두 종류의 센서들은 광 검출기를 통해 전하를 생성하는데 까지는 같은 과정을 거치지만, 그 이후에 이루어지는 전하 처리 방식에 큰 차이가 있다. Recently, the development of image sensors has been accelerated due to the rapid development of imaging devices. The image sensor collectively refers to a device for taking an image using a property of a semiconductor that reacts to light. In general, each part of a subject existing in nature has different brightness and wavelengths of light. Therefore, the image sensor performs a function of converting light energy (photons) obtained by the brightness and wavelength of light through the lens into an electrical signal (charge). Representative examples of such image sensors include a charge coupled device (CCD) image sensor and a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor. The two types of image sensors are composed of a photo detector for generating charge according to the strength of the scanned light, and a circuit for transferring the charge to the outside. The two types of sensors having such a configuration go through the same process to generate a charge through the photo detector, but there is a big difference in the method of processing the charge thereafter.
상기 CCD 이미지 센서는 전하의 전송을 담당하는 것이 CCD라고 불리는 소자다. 상기 CCD 이미지 센서는 디지털카메라나 비디오카메라 등을 중심으로 오래 전부터 채용되고 있다.The CCD image sensor is a device called CCD that is responsible for the transfer of charge. The CCD image sensor has been used for a long time mainly in digital cameras, video cameras and the like.
상기 CMOS 이미지 센서는 CCD 대신에 CMOS 트랜지스터의 스위치 기능을 이용해 전하를 처리한다. 상기 CMOS 이미지 센서는 광 검출기마다 스위치를 갖고 있기 때문에 어느 장소의 전하라도 직접 처리할 수 있는 것이 특징이다. 따라서 상기 CCD 이미지 센서와 비교해 읽어내기가 빠르고, 소비전력도 적다. 또한 상기 CMOS 이미지 센서는 전 세계적으로 컴퓨터 칩을 만드는데 사용되는 공정과 매우 유사한 공정에 의해 만들어 진다. 따라서 이미지 센서의 회로와 화상처리회로 등을 혼용해서 배치하는 것도 가능하다. The CMOS image sensor processes charge using a switching function of a CMOS transistor instead of a CCD. Since the CMOS image sensor has a switch for each photodetector, it is possible to directly process charge in any place. Therefore, compared with the said CCD image sensor, reading is quick and power consumption is low. The CMOS image sensor is also made by a process very similar to the process used to make computer chips worldwide. Therefore, it is also possible to mix and arrange the circuit of an image sensor, an image processing circuit, etc.
이러한 CMOS 이미지 센서는 휴대전화나 소형 디지털카메라 등에서 많이 채용되어 왔다. 하지만, 최근에는 고급 디지털카메라 등에도 채용되고 있어, CCD 이미지 센서를 위협하는 존재로 성장하고 있다.Such CMOS image sensors have been widely used in mobile phones and small digital cameras. In recent years, however, they have also been employed in high-end digital cameras and the like, and are growing into threats of CCD image sensors.
상기 CMOS 이미지 센서는 하나의 픽셀(Pixel)을 단위로 하는 셀의 내부에 하나 이상의 트랜지스터와 포토다이오드로 화상을 촬상한다. 즉, 평면상으로 나열된 포토다이오드의 광/전 변환에 의해 발생한 전하를 내부의 트랜지스터로 증폭하고, 이를 스위치 회로를 통해 1 화소 씩 독출하는 이미지 캡쳐 장치(Image Capture Device)이다. 따라서 각 화소마다 증폭기능을 갖기 때문에 고감도 및 높은 신호대 잡음비(High SNR)를 얻을 수 있는 가능성이 크다. 또한 수평, 수직의 신호 선을 각각 하나씩 선택해서 임의의 화소를 독출할 수 있는 랜덤 액세스(Random Access) 기능을 갖는다. The CMOS image sensor picks up an image with one or more transistors and photodiodes in a cell united with one pixel. That is, it is an image capture device that amplifies charges generated by photoelectric conversion of photodiodes arranged in a plane with internal transistors, and reads them out one pixel by a switch circuit. Therefore, since each pixel has an amplifier capability, it is highly possible to obtain high sensitivity and high signal-to-noise ratio (High SNR). It also has a random access function that can read out arbitrary pixels by selecting horizontal and vertical signal lines one by one.
따라서 상기 CMOS 이미지 센서는 표준 CMOS 처리 기술에 기반을 두고 있기 때문에 칩 사이즈의 소형화, 카메라의 경량화, 주변의 구동회로를 포함한 온-칩(On-Chip)화 가능, 저전력 소비가 가능할 뿐만 아니라 신호전하에 비례한 전류의 증폭으로 미약한 조도에서 촬상이 가능하다는 장점을 가진다.Therefore, since the CMOS image sensor is based on standard CMOS processing technology, the chip size can be reduced, the camera weight can be reduced, the on-chip including peripheral driving circuits can be made, and the power consumption can be reduced, as well as the signal charge. The amplification of the current in proportion to the has the advantage that the image can be taken in the low illumination.
하지만 CMOS 이미지센서를 사용하는 디지털 카메라의 경우 하기와 같은 문제점으로 인해 최상의 화질을 제공할 수 없는 문제점을 가진다.However, the digital camera using the CMOS image sensor has a problem that cannot provide the best image quality due to the following problems.
첫 번째로, CMOS 센서의 픽셀 배열부에 사용되는 소자는 온도의 변화에 민감하여 그 변화되는 온도에 따라 암 전류를 발생한다. 이는 영상신호에 원치 않는 블랙 레벨이 포함되는 원인이 된다. First, the device used in the pixel arrangement of the CMOS sensor is sensitive to a change in temperature and generates a dark current according to the changing temperature. This causes the video signal to contain an unwanted black level.
두 번째로, CMOS 이미지 센서를 사용하는 디지털 카메라의 경우 광량이 큰 형광등 등의 피사체를 찰영할 시 영상신호의 포화로 인해 고스트 이미지가 발생한다.Second, in the case of a digital camera using a CMOS image sensor, ghost images are generated due to saturation of an image signal when a subject such as a fluorescent lamp having a large amount of light is shot.
세 번째로, 감마 보정이 이루어진 영상신호에 대해 보간을 수행하게 되면, 보간에 의해 복원된 불량 화소에 대응하여 감마 보정을 위한 최적의 값을 획득할 수 없다.Third, when interpolation is performed on an image signal that has been gamma corrected, an optimal value for gamma correction may not be obtained in response to a bad pixel restored by interpolation.
따라서 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 카메라의 화질을 개선하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.Therefore, an object of the present invention for solving the above problems is to provide an apparatus and method for improving the image quality of the camera.
본 발명의 다른 목적은 화이트 레벨에서 명암이 포화되는 현상을 최소화하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for minimizing the saturation of contrast at the white level.
본 발명의 또 다른 목적은 포화 영역이 발생하지 않도록 노광 시간을 조절하고, 영상신호 이득을 통해 노광 시간을 보상하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide an apparatus and method for adjusting an exposure time so that a saturated region does not occur and compensating for the exposure time through an image signal gain.
본 발명의 또 다른 목적은 영상신호가 포화 되는 시점을 지연시킴으로써, 고스트 이미지의 발생을 최소화하는 이미지 처리장치 및 방법을 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide an image processing apparatus and method for minimizing the generation of ghost images by delaying the time when a video signal is saturated.
본 발명의 또 다른 목적은 불량 화소에 대한 복원이 이루어진 영상신호에 대해 감마 보정을 수행하는 이미지 센서와 이를 위한 방법을 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide an image sensor and a method therefor for performing gamma correction on an image signal in which defective pixels are restored.
본 발명의 또 다른 목적은 화이트 보상을 위한 이득 값을 니 보정을 위해 사용하는 이미지 처리 장치 및 방법을 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide an image processing apparatus and method using a gain value for white compensation for knee correction.
본 발명의 또 다른 목적은 픽셀 배열부를 구성하는 픽셀들 중 촬상 시 빛이 인가되지 않는 픽셀을 통해 블랙 레벨 값을 측정하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.Still another object of the present invention is to provide an apparatus and method for measuring a black level value through a pixel to which light is not applied during imaging among pixels constituting the pixel array unit.
본 발명의 또 다른 목적은 아날로그 영상신호에 대해 블랙 레벨 조정 및 니 보정을 수행하는 이미지 처리 장치 및 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide an image processing apparatus and method for performing black level adjustment and knee correction on an analog image signal.
본 발명의 또 다른 목적은 디지털 영상신호에 대해 블랙 레벨 조정 및 니 보정을 수행하는 이미지 처리 장치 및 방법을 제공함에 있다. Another object of the present invention is to provide an image processing apparatus and method for performing black level adjustment and knee correction on a digital image signal.
본 발명의 또 다른 목적은 영상신호의 밝기에 대응하여 서로 다른 이득 값을 부여함으로써 니 보정을 수행하는 이미지 처리 장치 및 방법을 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide an image processing apparatus and method for performing knee correction by giving different gain values corresponding to brightness of an image signal.
본 발명의 또 다른 목적은 잡음 성분으로 인해 발생하는 누설 전류(dark current)를 보상하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide an apparatus and method for compensating for dark current caused by noise components.
상기한 목적을 달성하기 위한 제1견지에 있어서, 본 발명은 소정 노광 시간에 의해 피사체를 촬상하고, 상기 촬상에 의해 인가되는 광 신호를 영상신호로 출력하는 디지털 카메라에서 상기 영상신호의 화질을 개선하는 이미지 처리 방법에 있어서, 암 전류로 인해 야기되는 블랙 레벨 값을 측정하고, 상기 측정한 블랙 레벨 값에 의해 상기 영상신호에 대한 블랙 레벨을 조정하는 과정과, 상기 영상신호의 입력 밝기를 소정 개수의 영역들로 구분하고, 상기 소정 영역 별로 서로 다른 이득 값을 부여함으로써, 상기 블랙 레벨이 조정된 영상신호의 밝기를 포함하는 영역에 부여된 이득 값으로 상기 영상신호에 대한 니 보정을 수행하는 과정과, 상기 니 보정이 이루어진 영상신호를 입력하고, 상기 영상신호를 구성하는 불량 화소에 대한 보간을 통해 상기 불량 화소를 복원하는 과정과, 상기 불량 화소가 복원된 영상신호에 대해 감마 보정을 수행하는 과정과, 상기 감마 보정된 영상신호로부터 휘도 성분과 색도 성분을 분리하여 출력하는 과정과, 상기 휘도 성분을 입력으로 하여 상기 블랙 레벨 조정 및 상기 니 보정을 위해 요구되는 노광 시간을 출력하는 과정과, 상기 색 신호를 입력으로 하여 상기 니 보정을 위한 이득 값을 출력하는 과정을 포함하며, 상기 소정 개수의 영역들은 미리 결정된 적어도 하나의 기준 밝기를 변곡점으로 할 때 상기 변곡점에 의해 구분되는 입력 밝기의 범위들로써, 화 이트 포화 시점에 근접할수록 상대적으로 작은 이득 값이 부여됨을 특징으로 한다.In a first aspect for achieving the above object, the present invention improves the image quality of the video signal in a digital camera which picks up a subject by a predetermined exposure time and outputs an optical signal applied by the imaging as a video signal. An image processing method comprising: measuring a black level value caused by a dark current, adjusting a black level of the video signal based on the measured black level value, and adjusting a predetermined number of input brightnesses of the video signal Performing a knee correction on the video signal by using a gain value applied to an area including the brightness of the video signal whose black level is adjusted by dividing into areas and assigning different gain values to the predetermined areas. And inputting a video signal subjected to the knee correction, and interpolating the defective pixels constituting the video signal. Restoring the amount of pixels, performing gamma correction on the image signal in which the bad pixels are restored, separating and outputting a luminance component and a chroma component from the gamma corrected image signal, and Outputting an exposure time required for the black level adjustment and the knee correction as an input, and outputting a gain value for the knee correction by using the color signal as an input; These ranges are input brightness ranges divided by the inflection point when at least one predetermined reference brightness is used as an inflection point, and is characterized in that a relatively small gain value is given closer to the white saturation time point.
상기한 목적을 달성하기 위한 제2견지에 있어서, 본 발명은 소정 노광 시간에 의해 피사체를 촬상하고, 상기 촬상에 의해 인가되는 광 신호를 영상신호로 출력하는 디지털 카메라에서 상기 영상신호의 화질을 개선하는 이미지 처리 장치에 있어서, 암 전류로 인해 야기되는 블랙 레벨 값에 의해 상기 영상신호에 대한 블랙 레벨을 조정하고, 자동 화이트 밸런스 조정부로부터 이득값을 입력받아 상기 영상신호의 입력 밝기를 구분하는 소정 개수의 영역 별로 서로 다른 이득 값을 부여하고, 상기 블랙 레벨이 조정된 영상신호의 밝기를 포함하는 영역에 부여된 이득 값으로 상기 영상신호에 대한 니 보정을 수행하는 영상신호 조정부와, 상기 니 보정이 이루어진 영상신호를 입력하고, 상기 영상신호를 구성하는 불량 화소에 대한 보간을 통해 상기 불량 화소를 복원하는 보간 및 픽셀 보정부와, 상기 불량 화소가 복원된 영상신호에 대해 감마 보정을 수행하는 감마 보정부와, 상기 감마 보정된 영상신호로부터 휘도 성분과 색도 성분을 분리하여 출력하는 색공간 변환부와, 상기 휘도 성분을 입력으로 하여 상기 블랙 레벨 조정 및 상기 니 보정을 위해 요구되는 노광 시간을 출력하는 자동 노광 조정부와, 상기 색도 성분을 입력으로 하여 상기 니 보정을 위한 이득 값을 출력하는 상기 자동 화이트 밸런스 조정부를 포함하며, 상기 소정 개수의 영역들은 미리 결정된 적어도 하나의 기준 밝기를 변곡점으로 할 때 상기 변곡점에 의해 구분되는 입력 밝기의 범위들로써, 화이트 포화 시점에 근접할수록 상대적으로 작은 이득 값이 부여됨을 특징으로 한다.In a second aspect for achieving the above object, the present invention improves the image quality of the video signal in a digital camera which picks up a subject by a predetermined exposure time and outputs an optical signal applied by the imaging as a video signal. An image processing apparatus comprising: a predetermined number of black levels for the video signal adjusted by a black level value caused by a dark current, and receiving a gain value from an automatic white balance adjusting unit to distinguish input brightness of the video signal A video signal adjusting unit configured to give different gains for each region of the video signal, and perform knee correction on the video signal with a gain value given to an area including brightness of the video signal whose black level is adjusted; Input the video signal, and interpolate the defective pixels constituting the video signal. An interpolation and pixel correction unit for restoring pixels, a gamma correction unit for performing gamma correction on the image signal from which the defective pixels are restored, and a color space for separating and outputting a luminance component and a chromaticity component from the gamma corrected image signal A conversion unit, an automatic exposure adjustment unit that outputs the exposure time required for the black level adjustment and the knee correction by using the luminance component as an input, and a gain value for the knee correction by outputting the chromaticity component as an input. The automatic white balance adjustment unit includes a predetermined number of regions that are input brightness ranges divided by the inflection point when the predetermined at least one reference brightness is the inflection point, and the gain value is relatively smaller as the white saturation point is approached. It is characterized by being given.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that in the following description, only parts necessary for understanding the operation according to the present invention will be described, and descriptions of other parts will be omitted so as not to distract from the gist of the present invention.
후술 될 본 발명에서는 화질을 개선하기 위해 원하지 않는 화상 데이터를 제거하거나 복원하고, 기존의 이미지 처리 순서를 변경한다. 즉 본 발명에서는 노광 시간을 이용하여 이미지 데이터가 가지는 블랙 레벨(black level)을 강제로 조정하고, 이를 색 신호 이득(G gain, R gain, B gain)을 조정함으로써 보상한다. 상기 블랙 레벨은 암 전류(dark current)로 인해 발생한다. 상기 암 전류는 CMOS 이미지 센서에 사용되는 광 다이오드에서 입사광에 의해 상승하는 온도가 주요 원인이 된다. 따라서 상기 블랙 레벨은 완전히 차광된 광 다이오드의 암 전류를 기준으로 측정할 수 있다.In the present invention to be described later, unwanted image data is removed or reconstructed to improve image quality, and the existing image processing order is changed. That is, in the present invention, the black level of the image data is compulsorily adjusted by using the exposure time and compensated by adjusting the color signal gains (G gain, R gain, and B gain). The black level occurs due to dark current. The dark current is mainly caused by a temperature rising by incident light in a photodiode used in a CMOS image sensor. Therefore, the black level may be measured based on the dark current of the fully shielded photodiode.
그리고 본 발명에서는 영상신호로써 입력될 수 있는 입력 밝기를 소정 구간으로 구분하고, 각 구간 별로 영상신호에 대한 이득 값을 달리함으로써, 보다 넓은 범위의 영상신호가 표현될 수 있도록 한다. 이때 상기 이득 값은 포화점에 인접한 구간에 대해 상대적으로 작은 값이 부여되도록 한다.In the present invention, the input brightness which can be input as the video signal is divided into predetermined sections, and by varying the gain value of the video signal for each section, a wider range of video signals can be expressed. At this time, the gain value is to be given a relatively small value for the section adjacent to the saturation point.
또한 본 발명에서는 영상신호에 대한 보간을 우선적으로 수행하고, 상기 보간에 의해 불량 화소가 복원된 영상신호에 대해 감마 보정을 수행하도록 한다. 이는 정상적인 화소들에 대해 감마 보정을 위한 보정 픽셀 값들을 구하고, 상기 보정 픽셀 값에 의해 불량 화소를 복원하게 되면 영상신호를 표시하는 단계에서의 감마 보정에 오차가 발생하는 것을 방지하게 된다.In the present invention, interpolation of an image signal is preferentially performed, and gamma correction is performed on an image signal in which bad pixels are restored by the interpolation. When the corrected pixel values for gamma correction are obtained for the normal pixels, and the defective pixels are restored by the corrected pixel values, an error is prevented from occurring in the gamma correction at the step of displaying an image signal.
이하 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, an operation according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 통상적인 이미지 처리 절차를 보이고 있는 도면이다. 상기 도 1을 통해 보이고 있는 이미지 처리 절차는 CMOS 이미지 센서가 사용된 경우를 가정하고 있다. 하지만 당업자라면 화상 신호를 처리하기 위한 장치에 용이하게 적용할 수 있음은 자명할 것이다.1 illustrates a conventional image processing procedure. The image processing procedure shown in FIG. 1 assumes that a CMOS image sensor is used. However, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention can be easily applied to an apparatus for processing an image signal.
상기 도 1을 참조하면, 광학부(110)는 렌즈를 통해 피사체를 촬상하고, 상기 촬상에 의해 얻어진 빛 에너지(광자)를 출력한다. 픽셀 배열부(Pixel Array)(112)는 수만에서 수십만 개의 픽셀(pixel)들로 구성되며, 상기 광학부(110)의 렌즈를 통해 입사되는 광 신호를 아날로그의 전기적인 신호(전하)로 변환하여 출력한다. 이때 상기 픽셀 배열부(112)는 이미지 처리부(114)로부터 제공되는 타이밍 신호(timing signal)와 센서 제어 신호(sensor control signal)에 의해 동작한다. 상기 타이밍 신호에 의해서는 상기 광 신호를 받아들이는 시간 등이 제어될 수 있다. 상기 광 신호를 받아들이는 시간은 추후 표시되는 이미지의 밝기뿐만 아니라 색상에 지대한 영향을 미치게 된다. 또한 상기 타이밍 신호는 본 발명의 실시 예에 따른 블랙 레벨 조정 및 knee 보정을 위해 사용된다. Referring to FIG. 1, the
상기 이미지 처리부(114)는 상기 픽셀 배열부(Pixel Array)(112)로부터의 전 기적 신호에 의해 레드(R), 그린(G), 블루(B)로 이루어진 영상신호에 대한 이미지 처리를 수행한다. 그 후 상기 이미지 처리에 의해 얻어진 완전한 영상신호를 출력한다. 그리고 상기 이미지 처리부(114)는 상기 출력되는 영상신호를 보정하기 위한 타이밍 신호 및 센서 제어 신호를 생성하고, 이를 상기 픽셀 배열부(112)로 제공한다.The
상기 이미지 처리부(114)로부터의 영상신호는 표시부(116)를 통해 표시되거나 저장부(118)에 기록된다. 상기 표시부(116)는 다양한 표시 창(CRT, LCD 등)과, 상기 표시 창을 통해 이미지를 표시하기 위해 상기 영상신호를 처리하기 위한 구성을 포함한다. 상기 저장부(118)에 저장된 영상신호는 추후에 다양하게 응용될 수 있다. 한편 상기 도면에는 도시 되고 있지 않으나 상기 이미지 처리부(114)로부터 출력되는 영상신호 또는 상기 저장부(118)에 저장된 영상신호는 프린터를 통한 인쇄가 가능하다.The image signal from the
도 2에서는 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 처리부의 구체적인 구조를 보이고 있다. 한편 상기 도 2에서는 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어 발명의 요지를 흐릴 수 있는 불필요한 구성에 대해서는 생략하고 있다.2 illustrates a detailed structure of an image processor according to an exemplary embodiment of the present invention. Meanwhile, in FIG. 2, an unnecessary configuration that may obscure the subject matter of the present invention is omitted in describing the exemplary embodiment of the present invention.
상기 도 2를 참조하면, 영상신호 조정부(210)는 픽셀 배열부로부터의 영상신호와 함께 상기 영상신호를 조정하기 위한 제어 신호(control signal)를 입력으로 한다. 상기 제어 신호는 R 신호와 B 신호의 이득 값을 포함한다. 상기 R 신호와 상기 B 신호의 이득 값은 수동으로 조정할 수 있으나 본 발명에서는 자동으로 조정됨을 가정한다. 상기 R 신호와 B 신호의 이득 값은 화이트 보정뿐만 아니라 knee 보 정을 위해 사용된다. 상기 영상신호 조정부(210)는 상기 제어 신호에 의해 상기 영상신호에 대한 화이트 보정뿐만 아니라 블랙 레벨 조정 및 knee 보정을 수행한다. Referring to FIG. 2, the image
상기 화이트 보정은 영상신호 중 R 신호 및 B 신호에 대한 이득을 조정함으로써, 원하는 화이트 색상을 가지는 영상신호가 출력될 수 있도록 한다. 상기 R 신호와 B 신호 외의 영상신호인 G 신호의 이득 값은 통상적으로 고정된다. 따라서 고정된 G 신호의 이득 값에 대응하여 R 신호와 B 신호의 이득 값을 조정함으로써 화이트 보정을 수행할 수 있다. 통상적으로 R 신호와 G 신호 및 B 신호의 비율이 균등할 때 화이트 색상을 얻게 된다. The white correction adjusts the gain of the R signal and the B signal of the video signal, thereby outputting the video signal having a desired white color. The gain value of the G signal, which is a video signal other than the R and B signals, is usually fixed. Therefore, white correction may be performed by adjusting gain values of the R and B signals in response to the fixed gain of the G signal. Typically, a white color is obtained when the ratio of the R signal to the G signal and the B signal is equal.
상기 블랙 레벨 조정은 암 전류로 인해 영상신호가 가지는 블랙 레벨을 조정함으로써, 원하는 블랙 색상이 표현될 수 있도록 한다. 이때 상기 영상신호에 대해 블랙 레벨을 조정하게 되면, 소정 영역에서의 출력 영상신호를 얻을 수 없게 된다. 따라서 이를 감안한 블랙 레벨 조정이 이루어져야 한다. The black level adjustment adjusts the black level of the image signal due to the dark current, so that the desired black color can be expressed. At this time, if the black level is adjusted with respect to the video signal, an output video signal in a predetermined region cannot be obtained. Therefore, the black level adjustment should be made in consideration of this.
상기 knee 보정은 조명 등과 같은 피사체를 촬영할 시 영상신호의 포화로 인해 이미지가 정상적으로 표현되지 못하고, 고스트 이미지(ghost image)가 발생하는 현상을 방지한다. 이를 위해 입력 영상신호에 대한 출력 영상신호의 관계를 표현하는 그래프의 기울기를 특정 변곡점(knee point)을 기준으로 달리한다. 즉 상기 그래프의 시작점으로부터 영상신호가 포화되기 시작하는 시점 이전의 임의의 변곡점까지의 제1기울기와 상기 변곡점에서 인가될 수 있는 최대 입력 영상신호까지의 제2기울기를 달리하는 것이다. 물론 상기 제2기울기는 상기 제1기울기에 비해 상대적으로 완만하여야 한다. 또한 상기 변곡점은 복수 개가 존재할 수 있다. 복수 개 의 변곡점들이 존재하는 경우에는 상기 변곡점들에 대응하여 다양한 기울기들에 의해 상기 그래프가 형성될 것이다. 따라서 상기 knee 보정을 수행하게 되면, 기존에 포화영역에 해당하는 입력 영상신호에 대해서는 표현 가능한 소정의 출력 영상신호를 얻을 수 있게 된다.The knee correction prevents a phenomenon in which an image is not normally displayed due to saturation of an image signal and a ghost image occurs when photographing a subject such as an illumination. To this end, the slope of the graph representing the relationship between the output video signal and the input video signal is changed based on a specific knee point. That is, the first slope from an inflection point before the point at which the image signal starts to be saturated from the start point of the graph is different from the second slope up to the maximum input image signal that can be applied at the inflection point. Of course, the second slope should be relatively gentle compared to the first slope. In addition, there may be a plurality of inflection points. When there are a plurality of inflection points, the graph may be formed by various inclinations corresponding to the inflection points. Therefore, when the knee correction is performed, a predetermined output video signal that can be expressed with respect to the input video signal corresponding to the saturation region can be obtained.
상기 화이트 보정, 블랙 레벨 조정 및 knee 보정에 대한 구체적인 동작 설명은 후술하도록 한다.Detailed operations of the white correction, the black level adjustment, and the knee correction will be described later.
상기 영상신호 조정부(210)로부터 출력되는 영상신호는 보간 및 픽셀 보정부(212)로 제공된다. 상기 보간 및 픽셀 보정부(212)는 상기 영상신호의 불량 화소(dead pixel)에 대한 보간(Interpolation)을 수행한다. 그리고 상기 영상신호의 픽셀들에 대한 보정을 수행한다. 상기 불량 화소는 영상신호를 구성하는 화소들 중 잃어버린 화소를 가리킨다. 상기 보간을 통해서는 상기 불량 화소의 정보를 그 주위의 화소들에 대한 정보를 이용함으로써 추론 할 수 있다. The image signal output from the image
상기 보간을 위한 알고리즘은 크게 비적응적 알고리즘(Nonadaptive algorithms)과 적응적 알고리즘(Adaptive algorithms)으로 나누어진다. 상기 비적응적 알고리즘은 모든 화소들에 대해서 고정된 패턴으로 보간하는 알고리즘으로 수행이 쉽고, 계산 양이 적은 장점이 있다. 상기 적응적 알고리즘은 잃어버린 화소의 값을 찾기 위해 가장 효과적인 이웃 화소들의 특성을 이용하여 추정하는 알고리즘으로 계산양은 많지만 비적응적 알고리즘에 비해 더 나은 영상을 얻을 수 있다. 상기 비적응적 알고리즘의 방법에는 가장 인접한 이웃 화소 보간법, 양선형 보간법, 중간값 보간법, 점진적 색상 변화 보간법의 방법이 있으며, 상기 적응 알고리즘의 방법에는 패턴 일치 보간 알고리즘, 기울기의 문턱치 기반 가변수를 이용한 보간법, 경계법 보존 보간법 등의 방법이 있다. 본 발명의 구현함에 있어서는 사용되는 보간 알고리즘에 대해 개의치 않는다.The algorithm for interpolation is largely divided into non-adaptive algorithms and adaptive algorithms. The non-adaptive algorithm is an algorithm that interpolates a fixed pattern for all pixels, which is easy to perform, and has a small amount of calculation. The adaptive algorithm is an algorithm that estimates using the characteristics of the most effective neighboring pixels to find the value of the missing pixel. Although the computational amount is large, a better image can be obtained than the non-adaptive algorithm. The non-adaptive algorithms include the nearest neighbor pixel interpolation method, bilinear interpolation method, median interpolation method, and progressive color change interpolation method. The adaptive algorithm method uses a pattern matching interpolation algorithm and a threshold-based variable of slope. There are methods such as interpolation method and boundary method preservation interpolation method. The implementation of the present invention does not care about the interpolation algorithm used.
상기 보간 및 픽셀 보정부(212)로부터의 영상신호는 컬러 보정부(214)로 제공된다. 상기 컬러 보정부(214)는 상기 영상신호를 표준 영상신호로 보정한다. 즉 입력되는 R 신호, G 신호 및 B 신호를 표준 R 신호(sR), 표준 G 신호(sG) 및 표준 B 신호(sB)로 보정한다. 하기 <수학식 1>에서는 상기 컬러 보정을 위한 일반화된 방안을 제안한다.The image signal from the interpolation and
여기서, MCSC는 비표준 카메라의 전달 특성을 표준 카메라의 전달 특성과 같게 만들어 주기 위한 표준 카메라의 전달 특성 매트릭스이며, MC -1는 비표준 카메라의 전달 특성 매트릭스의 역매트릭스이다.Here, M CSC is a transfer characteristic matrix of the standard camera for making the transfer characteristic of the non-standard camera the same as the transfer characteristic of the standard camera, and M C -1 is an inverse matrix of the transfer characteristic matrix of the non-standard camera.
이때 , 를 가정할 때, MCSC는 상기 <수학식 1>에 의해 가 된다.At this time , M CSC is expressed by
상기 표준 영상신호는 감마 보정부(216)로 제공된다. 통상적으로 감마(gamma)는 콘트라스트 상태를 나타내는 척도로 특성곡선의 경사도, 즉 농도의 변화/노광량의 변화를 말한다. 그리고 CRT 등과 같은 표시장치는 영상신호의 입력 전압에 대한 전자 빔 전류의 관계는 비선형적이며, 빔 전류에 대한 화상의 밝기는 선형적이다. 즉 영상신호의 입력 전압에 대한 화상의 밝기가 비선형적이다. 따라서 상기 감마 보정부(216)는 상기 표시장치의 비선형적인 특성을 고려하여 최종 영상신호가 선형성을 가질 수 있도록 상기 표준 영상신호에 대한 감마 보정을 수행한다. 즉 상기 감마 보정부(216)는 상기 표시장치가 가지는 비선형적인 특징을 보정한다. 이는 상기 표준 영상신호가 상기 표시장치가 가지는 비선형성을 보정할 수 있는 비선형성의 커브를 갖도록 하는 것이다. 도 11에서는 그 예를 보이고 있다. 상기 도 11에서 참조번호 1120은 표시장치가 가지는 비선형적인 특성을 보이고 있는 커브이며, 참조번호 1110은 최종적으로 얻고자 하는 선형적인 영상신호의 커브를 보이고 있다. 참조번호 1100은 상기 참조번호 1120의 커브를 보상하기 위해 감마 보정된 영상신호의 비선형적인 특성을 보이고 있는 커브이다. 결과적으로 상기 감마 보정부(216)는 상기 참조번호 1100으로 보이고 있는 커브를 갖도록 상기 표준 영상신호를 보정한다.The standard video signal is provided to the
상기 감마 보정된 영상신호(sR', sG', sB')는 색공간 변환부(218)로 제공된다. 상기 색공간 변환부(218)는 초당 요구되는 프레임 수를 출력하기 위해 상기 감마 보정된 영상신호의 픽셀을 변환한다. 상기 색공간 변환부(216)로부터는 휘도 성분(Y)과 색도 성분(Cb, Cr)이 출력된다. 상기 Y 신호는 출력 영상신호의 휘도 성분 에 해당하며, 상기 Cb, Cr 신호는 출력 영상신호의 색도 성분에 해당한다. 따라서 상기 Cb, Cr 신호는 자동 화이트 밸런스 조정부(220)로 제공되며, 상기 Y 신호는 자동 노광 조정부(222)로 제공된다.The gamma corrected image signals sR ', sG', and sB 'are provided to the
상기 자동 노광 조정부(222)는 렌즈를 통해 들어오는 빛의 양을 상기 Y 신호에 의해 감지하고, 상기 빛의 양에 의해 조리개의 열림 정도를 제어하는 노광 시간(Exposure Time)을 조정한다. 예컨대 빛의 양이 작아 출력 이미지가 전반적으로 어두운 경우에는 노광 시간을 증가시키는 조정을 행한다. 반대로 빛의 양이 커서 고스트 이미지가 출력되는 경우에는 노광 시간을 줄이는 조정을 행한다. 한편 상기 노광 시간의 조정에 있어서는 블랙 레벨의 발생 원인인 암 전류가 감안되어야 한다. 이는 본 발명에서 제안하는 블랙 레벨 조정에 따른 것이다. 상기 노광 시간은 소정 단계들(보통 1/50s부터 1/10000s까지 8단계 혹은 15단계)로 구분하여 조정될 수 있다. 통상적으로 이미지 처리에 있어 어두운 이미지에 대해서는 보상이 쉬운 반면 고스트 이미지에 대해서는 보상이 거의 불가능하다. 따라서 본 발명에서는 전반적으로 어두운 이미지의 영상신호를 입력 받아 이를 보상하기 위해 상기 자동 노광 조정부(222)가 노광 시간을 강제로 줄이도록 하고 있다. 이와 같이 노광 시간을 강제로 줄이는 정도는 암 전류로 인해 발생하는 블랙 레벨에 의해 정할 수 있다.The automatic
상기 노광 시간은 타이밍 생성 및 센서 제어부(224)로 입력된다. 상기 타이밍 생성 및 센서 제어부(224)는 상기 노광 시간뿐만 아니라 마스터 클럭을 입력으 로 한다. 상기 타이밍 생성 및 센서 제어부(224)는 상기 노광 시간과 마스터 클럭에 의해 타이밍 신호 및 센서 제어 신호를 생성한다.The exposure time is input to the timing generator and the
도 6에서는 노광 시간을 조정함으로써, 12비트 레벨로 표현되는 입력 영상신호와 휘도(Luminance)의 관계에 따른 그래프(knee 커브)가 변화되는 것을 보이고 있다. 상기 그래프들은 상기 노광 시간을 2배씩 증가시키는 것을 조건으로 하고 있다. 상기 도 6을 통해 보이고 있듯이, 노광 시간이 증가할수록 knee 커브의 기울기가 커진다. 상기 knee 커브의 기울기가 커진다는 것은, 출력 영상신호가 포화되는 휘도 값이 점점 낮아짐을 의미한다.FIG. 6 shows that the graph (knee curve) is changed according to the relationship between the luminance and the input image signal represented by the 12-bit level by adjusting the exposure time. The graphs are subject to increasing the exposure time by two times. As shown in FIG. 6, as the exposure time increases, the slope of the knee curve increases. Increasing the slope of the knee curve means that the luminance value at which the output image signal is saturated is gradually lowered.
도 7은 노광 시간과 기울기의 비(Gradient ration)간의 관계를 보이고 있는 그래프이다. 상기 도 7에서 보이듯이, 노광 시간이 증가할수록 기울기의 비가 증가함을 알 수 있다.FIG. 7 is a graph showing a relationship between exposure time and gradient ratio. As shown in FIG. 7, it can be seen that the ratio of the slope increases as the exposure time increases.
하기 <수학식 2>에서는 노광 시간과 기울기간의 관계를 보이고 있다.Equation 2 shows the relationship between the exposure time and the tilt period.
여기서, Gradient of AutoExp.Time은 자동 조정된 노광 시간(Exposure Time)의 변화율이며, Gradient of DefaultExp.Time은 기본 설정된 노광 시간(Exposure Time)의 변화율을 의미한다. Here, Gradient of AutoExp.Time is the rate of change of the automatically adjusted exposure time (Exposure Time), Gradient of DefaultExp.Time is the rate of change of the default exposure time (Exposure Time).
상기 자동 화이트 밸런스 조정부(220)는 상기 Cb, Cr 신호에 의해 영상신호 의 화이트 밸런스를 위한 이득 값을 조정한다. 이때 상기 이득 값은 R 신호를 보정하는 R 이득 값과 B 신호를 보정하는 B 이득 값으로 구성된다. 그 외의 영상신호인 G 신호의 이득 값은 임의의 값으로 고정된다. 상기 G 신호의 이득 값을 고정 시키는 방안에 대해서는 knee 보정을 설명할 때 구체적으로 언급될 것이다. 한편 상기 이득 값의 조정은 상기 노광 시간만으로 빛의 양에 대한 조정이 충분하지 않거나 주변의 색 온도를 감안하여 이루어진다. 한편 본 발명의 실시 예를 위해 상기 이득 값은 knee 보정을 감안하여 조정되어야 한다.The automatic white
도 3 내지 도 5에서는 본 발명의 실시 예에 따른 영상신호 조정부(210)의 예들을 보이고 있다. 상기 도 3에서는 디지털 영상신호에 대한 블랙 레벨 조정, knee 보정 및 화이트 보정을 수행하는 영상신호 조정부의 예를 보이고 있다. 상기 도 4에서는 아날로그 영상신호에 대한 블랙 레벨 조정, knee 보정 및 화이트 보정을 수행하는 영상신호 조정부의 예를 보이고 있다. 상기 도 5에서는 아날로그 영상신호에 대한 블랙 레벨 조정과 knee 보정을 수행하고, 디지털 영상신호에 대한 화이트 보정을 수행하는 영상신호 조정부의 예를 보이고 있다.3 to 5 show examples of the image
상기 도 3을 참조하면, 픽셀 배열부로부터 제공되는 아날로그 형태의 R, G, B 신호는 아날로그/디지털 변환부(A/D 변환부)(312)로 입력된다. 상기 A/D 변환부(312)는 상기 아날로그 형태의 R, G, B 신호를 디지털 신호로 변환한다. 일예로써, 상기 A/D 변환부(312)로부터의 디지털 신호는 12비트들로 이루어진다.Referring to FIG. 3, the analog, R, G, and B signals provided from the pixel array unit are input to the analog / digital converter (A / D converter) 312. The A /
상기 디지털 형태의 R, G, B 신호는 블랙 레벨 조정부(314)로 입력된다. 상기 블랙 레벨 조정부(314)는 블랙 레벨 조정 값에 대응하는 오프셋(offset)을 입력 받아 상기 R, G, B 신호에 대한 블랙 레벨 조정을 수행한다. 상기 블랙 레벨은 상기 R, G, B 신호로부터 상기 오프셋을 강제로 감산한 후 노광 시간에 의해 보상으로 조정하거나 일반화된 수식에 의해 조정할 수 있다. 다른 예로써, 미리 정하여진 조정 테이블에 의해 상기 R, G, B 신호에 대한 블랙 레벨을 조정할 수 있다. 한편 상기 오프셋은 미리 측정된 블랙 레벨에 의해 정하여 진다. 상기 블랙 레벨은 렌즈를 통해 빛이 입사 되지 않지 않도록 차광한 상태에서 출력되는 영상신호에 의해 측정이 가능하다. 상기 블랙 레벨을 측정하는 구체적인 예는 후술하도록 한다.The digital R, G, and B signals are input to the
상기 블랙 레벨이 조정된 R, G, B 신호는 화이트 보정부(316)를 구성하는 복수의 증폭기들 중 대응하는 증폭기로 입력된다. The R, G, and B signals whose black levels are adjusted are input to a corresponding amplifier among a plurality of amplifiers constituting the
상기 화이트 보정부(316)는 흰 물체가 정확하게 흰색으로 재현될 수 있도록 주어진 조명 아래에서 R, G, B 신호의 레벨을 조정한다. 이를 화이트 밸런스의 보정이라 한다. 상기 화이트 밸런스의 보정에 의해 피사체에 대한 정확한 색온도를 표현할 수 있게 된다. 따라서 상기 화이트 보정부(518)는 R, G, B 신호들 각각의 레벨을 조정하기 위한 증폭기들로 구성된다. 상기 증폭기들은 상기 R, G, B 신호들 각각에 대해 이득 값(G 이득, R 이득, B 이득)을 곱함으로써, 화이트 밸런스의 보정이 이루어진다. 따라서 상기 증폭기들 각각으로는 소정의 이득 값이 제공된다. 즉, G 신호가 입력되는 증폭기로는 G 이득 값이 제공된다. 상기 B 신호가 입력되는 증폭기로는 B 이득 값이 제공되며, 상기 R 신호가 입력되는 증폭기로는 R 이득 값이 제공된다. 상기 G 이득 값은 고정된 임의의 값을 가지며, 상기 B 이득 값과 상기 R 이득 값은 상기 고정된 G 이득 값에 대응하여 조정된다. 상기 B 이득 값과 R 이득 값은 앞서 살펴본 화이트 밸런스 조정부에 의해 결정된다. 상기 증폭기들에 의해서는 상기 R, G, B 신호의 크기 조정에 의해 화이트 보정 및 knee 보정이 이루어진다. 상기 B 이득 값과 상기 R 이득 값을 결정하는 구체적인 방안과, 상기 knee 보정에 따른 구체적인 동작에 대해서는 후술 될 것이다.The
전술한 바와 같이 상기 도 3의 구조에 따른 영상신호 조정부에 의해서는 디지털 영상신호에 대한 화이트 보정뿐만 아니라 블랙 레벨 조정 및 knee 보정이 수행된다. 이는 기존 구조를 최소로 변경하여 구현이 가능하다는 장점을 가진다. 하지만 디지털 영상신호에 대해 블랙 레벨 및 knee 보정을 수행함으로써, 보정에 한계가 있다는 문제점을 가진다.As described above, the image signal adjusting unit according to the structure of FIG. 3 performs black level adjustment and knee correction as well as white correction for the digital image signal. This has the advantage that it can be implemented by changing the existing structure to the minimum. However, by performing black level and knee correction on the digital image signal, there is a problem that the correction is limited.
상기 도 4를 참조하면, 픽셀 배열부로부터 제공되는 아날로그 형태의 R, G, B 신호는 블랙 레벨 조정부(412)로 입력된다. 상기 블랙 레벨 조정부(412)는 블랙 레벨 조정 값에 대응하는 오프 셋(offset)을 입력 받아 상기 R, G, B 신호에 대한 블랙 레벨 조정을 수행한다. 상기 블랙 레벨의 조정은 앞서 설명된 바에 의해 수행될 수 있다. Referring to FIG. 4, analog, R, G, and B signals provided from the pixel array unit are input to the
상기 블랙 레벨이 조정된 R, G, B 신호는 knee/화이트 보정부(414)로 입력된다. 상기 knee/화이트 보정부(414)로는 제어신호로써, 소정의 이득 값이 제공된다. 즉, knee 보정 및 화이트 보정을 위한 G 이득 값, B 이득 값 및 R 이득 값이 제공된다. 상기 G 이득 값은 고정된 임의의 값을 가지며, 상기 B 이득 값과 상기 R 이득 값은 상기 고정된 G 이득 값에 대응하여 조정된다. 상기 B 이득 값과 R 이득 값은 화이트 밸런스 조정부로부터 제공되며, 상기 R, G, B 신호의 크기 조정에 의해 화이트 보정 및 knee 보정이 이루어진다. The R, G, and B signals whose black levels are adjusted are input to the knee /
상기 knee 보정 및 화이트 보정이 이루어진 R, G, B 신호는 A/D 변환부(416)로 입력된다. 상기 A/D 변환부(416)는 상기 아날로그 형태의 R, G, B 신호를 디지털 신호로 변환한다. The R, G, and B signals that are subjected to the knee correction and the white correction are input to the A /
전술한 바와 같이 상기 도 4의 구조에 따른 영상신호 조정부에 의해서는 아날로그 영상신호에 대한 화이트 보정뿐만 아니라 블랙 레벨 조정 및 knee 보정이 수행된다. 이는 아날로그 영상신호에 대한 블랙 레벨 및 knee 보정을 수행함으로써, 보정에 제약이 없다는 장점을 가진다.As described above, the image signal adjusting unit according to the structure of FIG. 4 performs black level adjustment and knee correction as well as white correction for the analog image signal. This has the advantage that there is no restriction in the correction by performing black level and knee correction on the analog video signal.
도 5를 참조하면, 픽셀 배열부로부터 제공되는 아날로그 형태의 R, G, B 신호는 블랙 레벨 조정부(512)로 입력된다. 상기 블랙 레벨 조정부(512)는 블랙 레벨 조정 값에 대응하는 오프셋(offset)을 입력 받아 상기 R, G, B 신호에 대한 블랙 레벨 조정을 수행한다. 상기 블랙 레벨의 조정은 앞서 설명된 바에 의해 수행될 수 있다.Referring to FIG. 5, analog, R, G, and B signals provided from the pixel array unit are input to the
상기 블랙 레벨이 조정된 R, G, B 신호는 knee 보정부(514)로 입력된다. 상기 knee 보정부(514)로는 제어신호로써, 소정의 이득 값이 제공된다. 즉, knee 보정을 위한 G 이득 값, B 이득 값 및 R 이득 값이 제공된다. 상기 G 이득 값은 고정된 임의의 값을 가지며, 상기 B 이득 값과 상기 R 이득 값은 상기 고정된 G 이득 값에 대응하여 조정된다. 상기 B 이득 값과 R 이득 값은 화이트 밸런스 조정부로부터 제공되며, 상기 R, G, B 신호의 크기 조정에 의해 knee 보정이 이루어진다.The R, G, and B signals whose black levels are adjusted are input to the
상기 knee 보정이 이루어진 R, G, B 신호는 A/D 변환부(416)로 입력된다. 상 기 A/D 변환부(416)는 상기 아날로그 형태의 R, G, B 신호를 디지털 신호로 변환한다. The R, G, and B signals with the knee correction performed are input to the A /
상기 디지털 형태로 변화된 R, G, B 신호는 화이트 보정부(518)를 구성하는 복수의 증폭기들 중 대응하는 증폭기로 입력된다. 상기 증폭기들 각각으로는 소정의 이득 값이 제공된다. 즉, G 신호가 입력되는 증폭기로는 G 이득 값이 제공된다. 상기 B 신호가 입력되는 증폭기로는 B 이득 값이 제공되며, 상기 R 신호가 입력되는 증폭기로는 R 이득 값이 제공된다. 상기 G 이득 값은 고정된 임의의 값을 가지며, 상기 B 이득 값과 상기 R 이득 값은 상기 고정된 G 이득 값에 대응하여 조정된다. 상기 B 이득 값과 R 이득 값은 앞서 살펴본 화이트 밸런스 조정부에 의해 결정되며, 상기 증폭기들에 의해서는 상기 R, G, B 신호의 크기 조정에 의해 화이트 보정이 이루어진다. The R, G, and B signals converted into the digital form are input to a corresponding amplifier among a plurality of amplifiers constituting the
전술한 바와 같이 상기 도 5의 구조에 따른 영상신호 조정부에 의해서는 아날로그 영상신호에 대한 블랙 레벨 조정 및 knee 보정이 수행됨에 따라 보정의 제약이 없는 장점이 있다. 또한 화이트 보정은 기존과 같이 디지털 신호에 대해 수행되도록 함으로써, 기존의 구성을 최대한 유지할 수 있는 장점을 가진다.As described above, the video signal adjusting unit according to the structure of FIG. 5 has the advantage that there is no restriction of correction as black level adjustment and knee correction are performed for the analog video signal. In addition, the white correction is performed on the digital signal as in the conventional, which has the advantage of maintaining the existing configuration to the maximum.
이하 앞에서 살펴본 구성들을 참조하여 본 발명의 실시 예에서 제안하고자 하는 기능들에 대해 설명하도록 한다. 특히 후술 될 설명에서는, 블랙 레벨 조정 기능, knee 보정 기능 및 감마 보정 기능에 대해 구체적으로 기술할 것이다.Hereinafter, the functions to be proposed in the embodiments of the present invention will be described with reference to the above-described components. In particular, in the following description, the black level adjustment function, the knee correction function, and the gamma correction function will be described in detail.
1. 블랙 레벨 조정1. Black Level Adjustment
본 발명에서는 CMOS 이미지 센서가 가지는 블랙 레벨 값(black level value)을 측정하고, 이미지 데이터에 상기 측정한 블랙 레벨 값에 의해 이미지 데이터에 대한 블랙 레벨을 보정하는 방법을 제안한다. 상기 블랙 레벨 값의 측정은 암 전류(dark current)로 인해 발생한다. 따라서 상기 블랙 레벨은 완전히 차광된 환경에서 광 다이오드의 암 전류를 기준으로 측정할 수 있다. 한편 측정된 블랙 레벨 값에 의해 블랙 레벨 보정을 수행하는 것은 도 3의 314, 도 4의 412 및 도 5의 512 블록에서 이루어진다. 상기 도 3의 314 블록은 디지털 영역에서의 블랙 레벨 보정을 수행하며, 상기 도 4의 412 및 상기 도 5의 512 블록은 아날로그 영역에서의 블랙 레벨 보정을 수행한다. 상기 구성들에 있어서의 Offset은 블랙 레벨 보정을 위해 측정된 블랙 레벨 값에 의해 계산된 보정 값에 해당한다.The present invention proposes a method of measuring a black level value of a CMOS image sensor and correcting the black level of the image data based on the measured black level value in the image data. The measurement of the black level value occurs due to the dark current. Therefore, the black level may be measured based on the dark current of the photodiode in a completely shielded environment. Meanwhile, the black level correction is performed based on the measured black level value at 314 of FIG. 3, 412 of FIG. 4, and 512 blocks of FIG. 5.
이하 첨부된 도면을 참조하여 블랙 레벨을 측정하고, 이를 통해 블랙 레벨을 조정하는 동작에 대해 구체적으로 설명한다.Hereinafter, an operation of measuring the black level and adjusting the black level will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 8에서는 본 발명의 실시 예를 위해 블랙 레벨을 측정하기 위한 방안을 제시하고 있다. 상기 도 8에서 보이고 있는 바와 같이 픽셀 베이어(810)의 상부에는 빛을 받아들이는 원형의 렌즈 경통(820)이 부착된다. 이때 상기 픽셀 베이어(810)는 사각형으로 형성되는데 반하여 상기 렌즈 경통(820)은 원형을 가진다. 따라서 상기 픽셀 베이어(810)의 꼭지 점 측으로는 빛이 입사 되지 않는 픽셀들(830-a,830-b,830-c,830-d)이 발생한다. 상기 빛이 입사 되지 않는, 즉 차광된 픽셀들(830-a,830-b,830-c,830-d)은 블랙 레벨 값을 측정하기 위한 영역으로 사용될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 상기 차광된 픽셀들(830-a,830-b,830-c,830-d) 로부터 출력되는 이미지 데이터들을 측정된 블랙 레벨 값으로 간주할 수 있다. 즉 상기 차광된 픽셀들(830-a,830-b,830-c,830-d)로부터 구해진 레드, 그린, 블루의 입력 밝기 평균값을 취함으로써 원하는 블랙 레벨 값을 얻을 수 있다.8 illustrates a method for measuring a black level for an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, a
상기 블랙 레벨 값이 측정되면, 상기 픽셀 베이어(810)로부터 출력되는 이미지 데이터의 입력 밝기 값에서 상기 측정된 블랙 레벨 값을 감산한다. 한편 측정된 블랙 레벨 값을 전체 이미지 데이터를 구성하는 레드, 그린 및 블루의 입력 밝기 값에 공통적으로 빼주면 전체적인 이미지의 밝기가 어두워질 것이다. 따라서 하기 <수학식 3>을 이용하여 전체 이미지 데이터의 입력 밝기 값(InImg[y][x])에 대한 블랙 레벨을 보정하도록 한다.When the black level value is measured, the measured black level value is subtracted from the input brightness value of the image data output from the
여기서, InImg[y][x]은 이미지 데이터의 입력 밝기 값을 의미하고, OutImg[y][x]은 이미지 데이터의 출력 밝기 값을 의미하며, Low는 측정된 블랙 레벨 값을 의미한다. 상기 <수학식 3>에서는 이미지 데이터의 최대 출력 밝기 값으로써 255를 가정하고 있다.Here, InImg [y] [x] means an input brightness value of image data, OutImg [y] [x] means an output brightness value of image data, and Low means a measured black level value. In Equation 3, 255 is assumed as the maximum output brightness value of the image data.
예를 들어 블랙 레벨 값으로 50이 측정되고, 최대 출력 밝기로써 255를 가정하면, 블랙 레벨이 보정된 이미지 데이터는 0에서 255까지 선형적으로 표현될 것이다. 즉 입력 밝기가 0에서 50사이에 있는 이미지 데이터에 대해서는 출력 밝기가 0인 이미지 데이터로 보정한다. 한편 입력 밝기가 51에서 255사이의 이미지 데이터 는 상기 <수학식 3>에 의해 구해진 출력 밝기의 이미지 데이터로 보정된다. 이는 블랙 레벨의 보정뿐만 아니라 색 대비(contrast)의 향상으로 이미지가 전체적으로 어두워지는 문제점을 해소할 수 있다.For example, if 50 is measured as the black level value and 255 is assumed as the maximum output brightness, the black level corrected image data will be represented linearly from 0 to 255. That is, the image data whose input brightness is between 0 and 50 is corrected by the image data having 0 output brightness. On the other hand, the image data whose input brightness is 51 to 255 is corrected by the image data of the output brightness obtained by Equation (3). This may solve the problem of darkening the image as a whole by improving color contrast as well as correcting the black level.
도 9는 앞에서 제안한 블랙 레벨 조정에 따른 이미지 데이터의 입력 밝기와 출력 밝기의 관계를 보이고 있는 그래프이다.9 is a graph showing the relationship between the input brightness and the output brightness of the image data according to the black level adjustment proposed above.
상기 도 9를 참조하면, 참조번호 930은 블랙 레벨을 보정하지 않을 시의 입력 밝기(Vi)와 출력 밝기(Vo)의 관계를 보이고 있는 제1그래프이다. 상기 제1그래프(930)를 통해 완전히 검은색의 입력 밝기에 대응하여 일정한 값(black level value, 960)을 가지는 출력 밝기가 얻어짐을 알 수 있다. 한편 상기 입력 밝기의 소정 구간(참조번호 920)에서는 항상 일정한 값(black level value, 960)의 출력 밝기가 얻어진다.Referring to FIG. 9,
상기 일정한 값(black level value, 960)을 보정하기 위해 모든 입력 밝기에 대응한 출력 밝기에 상기 일정한 값(black level value, 960)을 균등하게 빼주면 참조번호 940과 같은 제2그래프를 얻을 수 있다. 하지만 전술한 바에 의해 블랙 레벨을 보정하게 되면 참조번호 910에서 보이듯이 소정 구간(Vmax-Vt)에 해당하는 출력 밝기가 표현되지 않게 된다.In order to correct the
참조번호 950은 소정 구간(910)에 해당하는 출력 밝기가 표현되도록 블랙 레벨 보정을 행할 시에 얻을 수 있는 제3그래프이다. 상기 제3그래프(950)에서 보이듯이 일정한 레벨(920)의 입력 밝기에 대해서는 완전한 검은색에 해당하는 출력 밝 기를 출력한다. 그리고 상기 일정한 레벨(920)을 넘어서는 모든 입력 밝기에 대해서는 0에서 Vmax까지의 모든 출력 밝기가 표현될 수 있도록 한다. 상기 제3그래프(950)는 앞에서 정의한 <수학식 3>에 의해 얻을 수 있다.
전술한 설명에서는 전체 이미지 데이터에 대해 블랙 레벨을 보정하는 방안에 대해서만 언급하였다. 하지만 이미지 데이터를 구성하는 레드, 그린 및 블루 각각에 대해 블랙 레벨 값을 구하고, 이를 이용하여 상기 레드, 그린 및 블루에 대한 블랙 레벨 보정이 이루어지도록 구현할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.In the above description, only the method of correcting the black level with respect to the entire image data is mentioned. However, it will be apparent to those skilled in the art that a black level value may be obtained for each of red, green, and blue constituting image data, and the black level correction may be implemented for the red, green, and blue colors using the same.
또한 상기 <수학식 3>을 사용하지 않고, 노광 시간(exposure time)에 의해 제2그래프(940)를 제3그래프(950)로 변경할 수 있다. 이를 위해서는 상기 노광 시간을 증가시킴으로써 가능하다. 상기 노광 시간에 의해 입력 밝기에 대한 출력 밝기의 변화는 앞에서 이미 설명되었다.In addition, without using Equation 3, the
전술한 블랙 레벨에 대한 보정은 디지털 영역에서 이루어지는 것을 가정하고 있다. 따라서 모든 입력 밝기에 대해 측정된 블랙 레벨 값을 감산할 시 표현되지 않는 출력 밝기가 존재하게 된다. 만약 아날로그 영역에서 블랙 레벨을 보정하고자 하는 경우에는 모든 입력 밝기에 대해 측정된 블랙 레벨 값을 균등하게 감산하는 형태로의 블랙 레벨 보정이 가능할 것이다. 이는 아날로그 영역에서 모든 입력 밝기에 대해 측정 블랙 레벨을 균등하게 감산한다고 하더라도 표현되지 않는 출력 밝기가 존재하지 않기 때문이다.It is assumed that the above correction for the black level is made in the digital domain. Thus, subtracting the measured black level value for all input brightness results in an invisible output brightness. If the black level is to be corrected in the analog domain, the black level can be corrected by equally subtracting the measured black level for all input brightness. This is because, even in the analog domain, even if the measured black level is subtracted equally for all input brightness, there is no output brightness that is not represented.
2. Knee Correction2. Knee Correction
본 발명에서는 출력 영상신호의 포화로 인한 고스트 이미지가 발생하는 시점을 지연시킴으로써 표현 가능한 입력 영상신호의 영역을 넓히고자 한다. 이를 위해서는 적어도 하나의 변곡점(knee point)들을 구하고, 상기 변곡점을 기준으로 하여 그래프의 기울기를 변화시킨다. 물론 변곡점 이전에서의 기울기에 비해 변곡점 이후의 기울기가 상대적으로 작아야 할 것이다. 이는 상기 변곡점 이후에서 출력 영상신호가 서서히 포화되도록 하기 위함이다. 상기 변곡점이 복수인 경우에는 보다 다양한 기울기들에 의해 상기 그래프가 그려질 것이다. 상기 변곡점들의 위치는 피사체의 밝기에 따라 자동으로 변경시킬 수 있다. 뿐만 아니라 상기 변곡점을 기준으로 하는 구간별로의 기울기를 달리하는 것은 영상신호의 이득 값에 의해 조정할 수 있다.In the present invention, it is intended to widen the area of an input video signal that can be expressed by delaying a time point at which a ghost image occurs due to saturation of an output video signal. To this end, at least one knee point is obtained, and the slope of the graph is changed based on the inflection point. Of course, the slope after the inflection point should be relatively small compared to the slope before the inflection point. This is for the output video signal to be gradually saturated after the inflection point. If the inflection point is plural, the graph may be drawn by more various slopes. The positions of the inflection points may be automatically changed according to the brightness of the subject. In addition, changing the inclination for each section based on the inflection point may be adjusted by the gain value of the image signal.
본 발명에서 제안하는 knee 보정은 도 3의 316, 도 4의 414 및 도 5의 514 블록에서 이루어진다. 상기 도 3의 316 블록은 디지털 영역에서의 knee 보정을 수행하며, 상기 도 4의 414 및 상기 도 5의 514 블록은 아날로그 영역에서의 knee 보정을 수행한다. 상기 구성들에 있어서의 제어 신호는 knee 보정을 위한 계산된 영상신호의 이득 값에 해당한다.The knee correction proposed in the present invention is performed at 316 of FIG. 3, 414 of FIG. 4, and 514 of FIG. 5.
한편 디지털 영역에서의 knee 보정과 아날로그 영역에서의 knee 보정은 구분되어야 한다. 그 이유는 디지털 영역에서의 신호 처리는 제한적으로 이루어지기 때문이다. 후술 될 설명에서는 디지털 영역에서의 knee 보정과 아날로그 영역에서의 knee 보정을 구분하여 설명하도록 한다.Meanwhile, knee correction in the digital domain and knee correction in the analog domain should be distinguished. This is because signal processing in the digital domain is limited. In the following description, the knee correction in the digital domain and the knee correction in the analog domain will be described separately.
이하 첨부된 도면을 참조하여 knee 보정을 수행하는 동작에 대해 구체적으로 설명한다.Hereinafter, an operation of performing knee correction will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 10은 본 발명에서 제안하는 knee 보정에 의한 R, G, B 신호의 입력(빛의 강도; Light intensity)과 출력(IRE; institute of Ratio Engineers) 관계를 보이고 있는 도면이다. 상기 도 10에서는 R, G, B 신호 각각에 대해 두 개의 변곡점들을 사용하고 있다. 즉 G 그래프(1000)에 있어서는 a, a'로 표시한 두 개의 변곡점들이 사용되고, R 그래프(1010)에 있어서는 b, b'로 표시한 두 개의 변곡점들이 사용되며, B 그래프(1020)에 있어서는 c, c'로 표시한 두 개의 변곡점들이 사용된다. 상기 R, G, B 신호 각각에 대해 knee 보정의 적용은 동일하게 이루어질 것이다. 따라서 후술 될 설명에서는 G 그래프를 기준으로 한다.FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship between input (light intensity) and output (IRE: Institute of Ratio Engineers) of R, G, and B signals according to the knee correction proposed by the present invention. In FIG. 10, two inflection points are used for each of the R, G, and B signals. That is, in the
한편 상기 도 10에서는 0 IRE에서 120 IRE까지의 출력 영상신호를 얻도록 한다. 통상적으로 출력 영상신호의 최고점에서 최저점까지의 전압 레벨을 소정 단위로 분할할 때에 그 단위를 IRE이라 한다. 예컨대 상기 최고점에서 최저점까지의 전압 레벨이 1볼트라 할 때, 하나의 IRE 단위는 0.00714IRE가 된다. 한편 R, G, B 신호의 입력(빛의 강도)은 앞서 살펴본 블랙 레벨 조정을 감안하여 일정한 영역(1030)에서 완전한 블랙 레벨의 출력 영상신호를 얻도록 하였다. 그리고 본 발명에서 제안하는 knee 보정을 적용하지 않을 시의 R, G, B 그래프에 대해서는 점선으로 표시함으로써, knee 보정을 적용할 시의 그래프와 비교될 수 있도록 하였다.Meanwhile, in FIG. 10, an output video signal from 0 IRE to 120 IRE is obtained. Usually, when dividing the voltage level from the highest point to the lowest point of the output video signal by a predetermined unit, the unit is called IRE. For example, when the voltage level from the highest point to the lowest point is 1 volt, one IRE unit is 0.00714 IRE. On the other hand, the input of the R, G, and B signals (light intensity) is to obtain the output image signal of the complete black level in a
상기 도 10을 참조하면, G 신호는 출력이 90 IRE인 지점을 제1변곡점(a)으로 하며, 출력이 110 IRE인 지점을 제2변곡점(a')으로 하고 있습니다. 그래프의 시작 점과 상기 제1변곡점(a) 사이의 제1구간에 대한 제1기울기는 상기 시작점과 상기 제1변곡점(a)에 의해 결정된다. 제1변곡점(a)과 제2변곡점(a') 사이의 제2구간에 대한 제2기울기는 상기 제1변곡점(a)과 상기 제2변곡점(a')에 의해 결정된다. 상기 제2변곡점(a')에서 포화점 사이의 제3구간에 대한 제3기울기는 상기 제2변곡점(a')와 상기 포화점에 의해 결정된다.Referring to FIG. 10, the G signal has a point at which the output is 90 IRE as the first inflection point (a) and a point at which the output is 110 IRE as the second inflection point (a '). The first slope for the first section between the starting point of the graph and the first inflection point a is determined by the starting point and the first inflection point a. The second slope for the second section between the first inflection point a and the second inflection point a 'is determined by the first inflection point a and the second inflection point a'. The third slope for the third section between the second inflection point a 'and the saturation point is determined by the second inflection point a' and the saturation point.
상기 결정된 기울기들은 제1기울기, 제2기울기 및 제3기울기의 순서로써 그 크기가 결정된다. 즉 상기 제1기울기가 가장 큰 값을 갖고, 상기 제2기울기가 중간 값을 가지며, 상기 제3기울기가 가장 작은 값을 가진다. 따라서 상기 제1구간에서 입력 영상신호에 대한 출력 영상신호의 변화가 가장 심하며, 상기 제3구간에서 입력 영상신호에 대한 출력 영상신호의 변화가 작게 된다. The determined slopes are sized in the order of the first slope, the second slope, and the third slope. That is, the first slope has the largest value, the second slope has the middle value, and the third slope has the smallest value. Accordingly, the change of the output video signal with respect to the input video signal is the most severe in the first section, and the change of the output video signal with respect to the input video signal in the third section is small.
전술한 바와 같이 각 구간별로 서로 다른 기울기를 부여함으로써, 기존의 그래프에 비해 본 발명에 의한 그래프가 소정의 이득을 갖게 됨을 알 수 있다. 상기 도 10의 참조번호 1030은 상기 knee 보정에 의해 얻게 되는 knee gain을 가리킨다. 상기 knee gain에 대응하는 입력 영상신호는 기존에는 포화 영역으로써, 표현할 수 없는 이미지에 해당한다.As described above, by providing different slopes for each section, it can be seen that the graph according to the present invention has a predetermined gain as compared to the existing graph.
상기 도 10에서 보이고 있는 knee 보정 기법은 아날로그 영역에서 적용될 수 있다. 즉 상기 도 10에서는 입력 영상신호에 대한 제한 사항이 존재하지 않는다. 하지만 디지털 영역에서 knee 보정을 수행하게 되면, 입력 영상신호에 대한 제한이 존재한다. 즉 디지털 영역에서는 포화점이 미리 결정된다. 따라서 디지털 영역에서 knee 보정을 수행할 시에는 미리 결정된 포화점을 이동시키는 것이 불가능함에 따 라 그래프의 기울기를 상기 도 10에서 보인 바와 같이 작게 조정할 수 없게 된다. 하지만 기울기를 조절하는데, 제약이 있을 뿐 본 발명에서 제안한 knee 보정을 통한 효과를 충분히 얻을 수 있다.The knee correction technique shown in FIG. 10 may be applied in the analog domain. That is, in FIG. 10, there are no restrictions on the input video signal. However, when knee correction is performed in the digital domain, there is a limitation on the input video signal. In other words, the saturation point is predetermined in the digital domain. Therefore, when performing knee correction in the digital domain, it is impossible to move the predetermined saturation point, so that the slope of the graph cannot be adjusted as shown in FIG. 10. However, there is a limitation in adjusting the slope, and the effect through the knee correction proposed in the present invention can be sufficiently obtained.
본 발명에서 제안한 knee 보정을 위한 동작을 살펴보면, 자동 노광 조정에 의해 글로벌 이득(global gain)과 노광 시간을 결정한 후 이를 저장한다. 그 후 상기 저장된 글로벌 이득과 노광 시간 및 자동 화이트 밸런스를 조건으로 하여 영상신호를 획득한다. 상기 획득한 영상신호의 R, G, B 신호 각각에 대한 최대 값들(Rmax, Gmax, Bmax)을 구한다. 그리고 노광 시간을 조정하여 상기 최대 값들(Rmax, Gmax, Bmax)을 임의의 출력 값에 정규화 시킨다. 상기 임의의 출력 값은 영상신호로서 출력될 수 있는 최대 값으로써, 일예로 12비트의 디지털 값으로 표현할 시 4095가 된다. 상기 4098은 100IRE에 대응한다. 상기 임의의 최대 값이 4095라 할 때, 상기 R, G, B, 신호 각각에 대한 정규화는 하기 <수학식 4>에 의해 이루어지다.Looking at the operation for the knee correction proposed in the present invention, by determining the global gain and exposure time by automatic exposure adjustment and stores it. Thereafter, an image signal is acquired subject to the stored global gain, exposure time, and automatic white balance. The maximum values R max , G max , and B max for each of the R, G, and B signals of the obtained image signal are obtained. The exposure time is adjusted to normalize the maximum values R max , G max , and B max to an arbitrary output value. The arbitrary output value is a maximum value that can be output as a video signal, and is 4095 when expressed as a digital value of 12 bits, for example. 4098 corresponds to 100 IRE. When the arbitrary maximum value is 4095, normalization for each of the R, G, B, and signals is performed by Equation 4 below.
전술한 바에 의해 글로벌 이득 및 노광 시간을 기본 값으로 하는 조건 하에서 블랙 레벨 보정된 R, G, B 신호는 임의의 값에 각각 정규화된다. 상기 정규화된 R, G, B 신호는 선형적인 그래프를 가진다.As described above, the black, level corrected R, G, and B signals under normalized global gain and exposure time are normalized to arbitrary values. The normalized R, G, and B signals have a linear graph.
상기 R, G, B 신호 각각에 대한 정규화가 이루어지면, 이리 결정된 임의의 변곡점에서 상기 정규화된 R, G, B 신호에 대한 knee 보정을 수행한다. 이는 앞에서도 살펴보았듯이 동일한 기울기를 가지는 그래프를 상기 변곡점을 기준으로 서로 다른 기울기를 가지는 그래프로 변경하는 동작에 해당한다. 이와 같이 상기 변곡점을 기준으로 하여 구간 별로 서로 다른 기울기를 부여하는 것은 R, G, B 신호 각각의 이득 값을 조정함으로써 가능하다. When normalization is performed on each of the R, G, and B signals, knee correction is performed on the normalized R, G, and B signals at predetermined inflection points. As described above, this corresponds to an operation of changing a graph having the same slope to a graph having different slopes based on the inflection point. In this way, different inclinations can be provided for each section based on the inflection point by adjusting gain values of the R, G, and B signals.
상기 R, G, B 신호 각각에 대한 기울기는 하기 <수학식 5>로 정의될 수 있다.The slope for each of the R, G, and B signals may be defined by Equation 5 below.
상기 <수학식 5>에 의한 G 신호의 기울기 mG가 결정되면, 상기 mG를 이용하여 G 신호에 대한 변곡점을 계산할 수 있다. 그 후 화이트 밸런스를 맞추기 위해 상기 G 신호를 기준으로 R, B 신호에 대한 출력 데이터를 계산한다. 상기 R, B 신호에 대한 출력 데이터의 계산은 하기 <수학식 6>에 의해 이루어진다.When the slope m G of the G signal according to Equation 5 is determined, an inflection point for the G signal may be calculated using the m G. After that, the output data for the R and B signals is calculated based on the G signal to achieve the white balance. Calculation of the output data for the R and B signals is performed by Equation 6 below.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 knee 보정을 수행하는 절차를 보이고 있는 제어 흐름이다. 상기 도 14에서는 제어 흐름은 노광 시간을 고려한 예를 보이고 있다.14 is a control flow illustrating a procedure for performing knee correction according to an embodiment of the present invention. In FIG. 14, the control flow shows an example in consideration of an exposure time.
상기 도 14를 참조하면,1410단계에서 자동 화이트 밸런스 기능과 자동 노광 조정 기능을 구동 시킨다. 이는 영상 처리장치에서 통상적으로 사용되는 자동 화이트 밸런스 기능과 자동 노광 조정 기능을 사용함을 의미한다. 그리고 1412단계에서 상기 자동 화이트 밸런스 기능 및 자동 노광 조정 기능이 동작하는 상황에서의 R, G, B 이득 및 노광 시간을 독출(read)한다. 이때 상기 G 이득은 G1 이득과 G2 이득을 포함한다.Referring to FIG. 14, in operation 1410, the automatic white balance function and the automatic exposure adjustment function are driven. This means that the automatic white balance function and the automatic exposure adjustment function which are commonly used in the image processing apparatus are used. In operation 1412, the R, G, and B gains and the exposure time are read when the automatic white balance function and the automatic exposure adjustment function are operated. In this case, the G gain includes a G1 gain and a G2 gain.
그 후 1416단계에서는 상기 자동 화이트 밸런스 기능 및 상기 자동 노광 조정 기능의 구동을 종료 시킨다. 이는 영상 처리장치에서 통상적으로 사용되는 자동 화이트 밸런스 기능과 자동 노광 조정 기능을 사용하지 않음을 의미한다. 그리고 1418단계에서 상기 R, G, B 이득 및 노광 시간을 미리 결정된 값으로 조정한다. 상기 미리 결정된 값으로써, 상기 R, G, B 이득으로는 0x40(default, gain 1)이 될 수 있으며, 상기 노광 시간은 50%가 될 수 있다. 1420단계에서는 앞서 설정된 R, G, B 이득 및 노광 시간에 의해 영상신호를 획득한다.Thereafter, in step 1416, driving of the automatic white balance function and the automatic exposure adjustment function is terminated. This means that the automatic white balance function and the automatic exposure adjustment function which are commonly used in the image processing apparatus are not used. In operation 1418, the R, G, and B gains and the exposure time are adjusted to predetermined values. As the predetermined value, the R, G, and B gains may be 0x40 (default, gain 1), and the exposure time may be 50%. In
그리고 1422단계에서 상기 획득한 영상신호에 대해 G를 기준으로 하여 R, G, B 신호 각각에 대한 기울기(knee curve)를 계산한다. 상기 기울기의 계산은 앞서 제시한 <수학식 5>에 의해 수행된다. 상기 기울기에 대한 계산이 완료되면 1424단계로 진행하여, 상기 계산된 기울기들 중 mG를 이용하여 G에 대하여 임의의 기준점(90IRE)에 대한 입력 데이터(knee point)를 계산한다. 즉 G에 대한 변곡점에서의 입력 데이터 값을 계산한다. 그리고 1424단계에서는 화이트 밸런스를 맞추기 위하여 G 이득을 기준으로 R, B 이득을 반영하여 상기 입력 데이터에 대응한 출력 데이터를 계산한다. 이는 앞서 제시한 <수학식 6>에 의해 얻을 수 있다.In
전술한 본 발명의 knee 보정은 knee 커브를 이용하는 방법에 관한 것이었다. 한편 knee 보정을 구현하기 위한 다른 예로써, 룩-업 테이블(look-up table)을 이용할 수 있다. 즉 입력 가능한 범위에서의 입력 영산신호 각각에 대응한 출력 영상신호를 매핑하는 룩-업 테이블을 미리 생성한다. 이때 상기 입력 영상신호와 출력 영상신호의 관계는 노광 시간에 의해 변화함에 따라 상기 룩-업 테이블은 사용될 노광 시간별로 생성하는 것이 바람직할 것이다. 그 후 knee 보정을 수행함에 있어, 노광 시간에 대응하여 사용할 룩-업 테이블을 결정한다. 상기 룩-업 테이블을 결정하는 것은 사용할 knee 커브를 결정하는 것에 해당할 것이다. 그리고 결정된 룩-업 테이블을 통해 입력 영상신호에 매핑된 출력 영상신호를 획득함으로써, knee 보정을 수행할 수 있을 것이다.The knee correction of the present invention described above relates to a method using a knee curve. As another example for implementing knee correction, a look-up table may be used. That is, a look-up table for mapping the output video signal corresponding to each of the input production signals within the inputtable range is generated in advance. In this case, as the relationship between the input image signal and the output image signal varies with the exposure time, the look-up table may be generated for each exposure time to be used. Then, in performing the knee correction, the look-up table to be used is determined corresponding to the exposure time. Determining the look-up table will correspond to determining the knee curve to use. The knee correction may be performed by acquiring an output image signal mapped to the input image signal through the determined look-up table.
3. 감마 보정3. Gamma Correction
본 발명에서는 이미지 데이터에 대한 보간을 수행하고, 상기 보간이 이루어진 이미지 데이터에 대해 감마 보정을 수행하는 것을 제안한다. 즉 이미지 데이터를 구성하는 화소들 중 잃어버린 화소(불량 화소 ; dead pixel)를 보간을 통해 복원하고, 상기 복원된 이미지 데이터에 대해 감마 보정이 이루어지도록 함으로써, 보다 양질의 이미지 데이터를 얻을 수 있도록 한다. 하지만 보간을 통해 복원된 이미지 데이터에 대한 감마 보정이 이루어지도록 하기 위해서는 메모리의 크기 증가가 필연적이다. 하지만 칩 집적화에 대한 기술의 발달로 메모리로 인한 공간이 커지는 문제는 해결될 수 있다.The present invention proposes to perform interpolation on image data, and to perform gamma correction on the interpolated image data. That is, by reconstructing lost pixels (dead pixels) among the pixels constituting the image data through interpolation, and performing gamma correction on the restored image data, higher quality image data can be obtained. However, in order to perform gamma correction on image data reconstructed through interpolation, an increase in memory size is inevitable. However, the development of chip integration technology can solve the problem of increased space due to memory.
통상적으로 이미지의 화질을 개선하기 위해 디지털 연산을 이용한 감마 보정을 반드시 수행하여야 한다. 그 이유는 이미지 센서를 표시하기 위한 장치(CRT 등)의 특성에 있다. 즉 화면에서의 왜곡된 감마 신호를 상쇄시키기 위해 상기 왜곡된 신호 출력 관계의 역 대칭이 되는 감마값을 입력하여 감마 신호의 선형성을 회복시켜야 한다. 이를 통상적으로 '감마 보정'이라 한다.In general, gamma correction using digital arithmetic must be performed to improve image quality. The reason lies in the nature of the device (CRT, etc.) for displaying the image sensor. In other words, in order to cancel the distorted gamma signal on the screen, a gamma value that is inversely symmetrical of the distorted signal output relationship is input to restore linearity of the gamma signal. This is commonly referred to as gamma correction.
도 11은 상기 감마 보정의 개념을 그래프로써 보이고 있는 도면이다. 상기 도 11에서 참조번호 1120은 왜곡된 감마 신호를 보이고 있다. 참조번호 1100은 왜곡된 감마 신호의 선형성을 회복시키기 위한 감마값에 대한 그래프를 보이고 있다. 참조번호 1110은 상기 왜곡된 감마 신호(1120)의 선형성을 상기 감마 값(1100)에 의해 회복시킴으로써 얻게 되는 감마 신호를 보이고 있다.11 is a graph showing the concept of the gamma correction. In FIG. 11,
따라서 이미지 센서에서는 표시장치로 출력되는 최종 영상신호가 상기 도 11 의 참조번호 1100과 같은 특성을 가질 수 있도록 하여야 한다. 즉 입력되는 영상신호에 대해 감마 보정을 수행하여 상기 그래프(1100)에 대응하는 영상신호가 출력되도록 하여야 한다. 따라서 감마 보정은 입력 영상신호와 출력 영상신호의 관계가 상기 그래프(110)에 근사한 정도에 따라 그 성능이 좌우된다고 말할 수 있다.Accordingly, in the image sensor, the final image signal output to the display device should have the same characteristics as the
이를 위해 후술 될 본 발명의 실시 예에서는 불량 화소에 대한 보간이 선행되도록 하고, 상기 보간이 이루어진 영상신호에 대해 감마 보정을 수행하도록 하는 방안을 제안한다.To this end, an embodiment of the present invention, which will be described later, proposes a method of performing interpolation on a bad pixel and performing gamma correction on the interpolated image signal.
이하 본 발명의 실시 예에 따른 감마 보정과 기존의 감마 보정에 대한 성능을 비교하여 보면 다음과 같다. 이때 입력 밝기 값이 4와 12인 경우를 가정한다.When comparing the performance of the gamma correction according to the embodiment of the present invention and the conventional gamma correction as follows. Assume that the input brightness values are 4 and 12.
먼저 기존의 기법을 적용하여 감마 보정이 이루어진 후 보간을 수행하는 경우에 대해 살펴보도록 한다.First, let's take a look at the case where interpolation is performed after gamma correction is applied by applying existing techniques.
기존 기법에 따른 감마 보정의 일 예를 하기 <수학식 7>에서 보이고 있다.An example of gamma correction according to the conventional technique is shown in Equation 7 below.
상기 <수학식 7>에서 보인 바와 같이 입력 밝기 값이 4인 경우 감마 보정에 의해 얻어지는 출력 밝기 값은 27이며, 입력 밝기 값이 12인 경우 감마 보정에 의해 얻어지는 출력 밝기 값은 63이다. 따라서 보간에 의해 상기 27과 상기 63에 의해 입력 밝기 값이 8인 경우의 출력 밝기 값은 하기 <수학식 8>에 의해 구할 수 있다As shown in Equation 7, when the input brightness value is 4, the output brightness value obtained by gamma correction is 27, and when the input brightness value is 12, the output brightness value obtained by gamma correction is 63. Accordingly, the output brightness value when the input brightness value is 8 by 27 and 63 by interpolation can be obtained by Equation 8 below.
따라서 기존의 기법에 의해 8의 입력 밝기 값에 대응하여 최종적으로 얻을 수 있는 출력 밝기 값은 45가 된다.Therefore, the final output brightness value corresponding to the input brightness value of 8 by the conventional technique is 45.
다음으로 본 발명에서 제안한 기법을 적용하여 보간을 수행한 후 감마 보정이 이루어지는 경우에 대해 살펴보도록 한다.Next, the gamma correction is performed after performing interpolation by applying the technique proposed by the present invention.
입력 밝기 값인 4와 12에 대해 수행되는 보간은 하기 <수학식 9>로 표현될 수 있다.Interpolation performed on the
상기 보간에 의해 구하여진 입력 밝기 값 8에 대한 감마 보정은 하기 <수학식 10>에 의해 이루어진다.Gamma correction for the input brightness value 8 obtained by the interpolation is performed by
상기 <수학식 10>에서 보인 바와 같이 입력 밝기 값이 8인 경우 감마 보정에 의해 얻어지는 출력 밝기 값은 53이다. As shown in
따라서 입력 밝기 8에 대해 기존 기법에 의해 얻어진 출력 밝기 값과 본 발명에서 제안한 기법에 의해 얻어진 출력 밝기 값을 비교할 때, 6.2의 개선 효과를 가진다.Therefore, when comparing the output brightness value obtained by the conventional technique and the output brightness value obtained by the technique proposed by the present invention with respect to the input brightness 8, it has an improvement effect of 6.2.
이하 본 발명의 실시 예에 따른 보간 및 감마 보정에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, interpolation and gamma correction according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 12는 본 발명의 실시 예에 의해 얻고자 하는 감마 곡선을 보이고 있는 도면이다. 상기 도 12에서 참조번호 1200은 이상적인 감마 곡선을 가리키며, 참조번호 1210은 감마 보정을 위해 적용될 실제 감마 곡선이다. 상기 참조번호 1220과 상기 참조번호 1210에서 보이고 있는 감마 곡선은 완전히 일치 하지 않음을 알 수 있다. 그 이유는 실제로 사용할 감마 곡선은 모든 입력 영상신호들에 대응한 출력 영상신호들에 의해 그려진 것이 아니기 때문이다. 즉 실제로 사용될 감마 곡선은 입력 영상신호를 샘플링하고, 상기 샘플링된 입력 영상신호와 상기 입력 영상신호에 대응한 출력 영상신호로써 얻을 수 있기 때문이다.12 is a diagram showing a gamma curve to be obtained by an embodiment of the present invention. In FIG. 12,
도 13은 상기 도 12에 있어 참조번호 1220의 영역을 확대하여 그린 감마 곡선이다. 상기 도 13을 통해서는 이상적인 감마 곡선과 실제 감마 곡선의 오차가 보다 극명하게 나타나고 있다. 상기 도 13에서는 보간 절차를 통해 임의의 두 지점의 픽셀 값들(Vin_a, Vin_c)의 가운데 픽셀 값(Vin_b)을 보간하고, 상기 보간된 픽셀 값(Vin_b)에 대해 감마 보정을 수행하는 것을 보이고 있다.FIG. 13 is a gamma curve drawn by enlarging the region of FIG. 12 in FIG. 12. 13, the error between the ideal gamma curve and the actual gamma curve is more clearly shown. In the Figure 13, and interpolates the pixel value (V in_b) of any of the pixel values of the two points (V in_a, V in_c) through an interpolation process, for performing gamma correction for the interpolated pixel value (V in_b) Is showing.
상기 도 13을 참조하면, 보간 및 픽셀 보정부(212)는 입력되는 임의의 두 지점의 픽셀 값들(Vin_a, Vin_c)에 의해 가운데 픽셀 값(Vin_b)을 보간한다. 두 개의 픽셀 값들에 의해 가운데 픽셀 값을 구하기 위한 보간 기법은 앞에서도 밝힌 바와 같이 이미 공지의 기술이라 할 것이다. 일예로써 상기 가운데 픽셀 값(Vin_b)은 상기 임의 의 두 지점의 픽셀 값들(Vin_a, Vin_c)의 평균값에 의해 구하여 질 수 있다.Referring to FIG. 13, the interpolation and
그 후 상기 임의의 두 지점의 픽셀 값들(Vin_a, Vin_c)과 상기 보간에 의해 구하여진 픽셀 값(Vin_b)은 컬러 보정 절차를 거쳐 감마 보정부(216)로 전달된다. 상기 감마 교정부(216)는 미리 결정된 감마 곡선 상에서 상기 Vin_a에 대해서는 a 지점에 매핑된 출력(Vout_a)을 얻게 되며, 상기 Vin_c에 대해서는 c 지점에 매핑된 출력(V
out_c)을 얻게 된다. 한편 상기 보간에 의해 구하여진 Vin_b에 대해서는 b 지점에 매핑된 출력(Vout_b)을 얻을 수 있다. 즉 보간에 의해 구하여진 입력 값에 대응하여 실제로 감마 곡선(1210) 상에 존재하는 값이 출력됨을 알 수 있다.Is then transmitted to the pixel values (V in_b) is the
하지만 기존과 같이 감마 보정이 선행되는 경우에는 Vin_b에 대응한 출력 값이 상기 도 12에서 보이고 있는 에러만큼의 오차가 발생함을 알 수 있다. 즉 상기 임의의 두 지점의 픽셀 값들(Vin_a, Vin_c)에 대한 감마 보정을 수행하게 되면, V out_a와 Vout_c를 출력 값으로 얻게 된다. 그 후 상기, Vout_a와 Vout_c 를 이용하여 보간을 수행함으로써, 상기 Vin_b에 대해서는 b'에 매핑된 출력 값 Vout_b'를 얻게 된다. 이때 얻어지는 출력 값 Vout_b'는 b 지점에 매핑된 출력 값 Vout_b와 소정의 오차 값을 가지게 된다. However, when the gamma correction is preceded as before, it can be seen that an output value corresponding to V in_b generates an error corresponding to the error shown in FIG. 12. That is, when gamma correction is performed on the pixel values V in_a and V in_c at two arbitrary points, V out_a and V out_c are obtained as output values. After the above, by using the V and V out_a out_c obtains the "output value V out_b mapped to 'by performing interpolation, b for the V in_b. The output value V out_b ' obtained at this time has a predetermined error value with the output value V out_b mapped to point b.
따라서 감마 보정이 이루어진 영상신호의 픽셀들에 보간을 수행하는 것에 비 해 보간이 이루어진 영상신호에 대해 감마 보정을 수행하는 것이 보다 이상적인 감마 곡선에 의해 감마 보정을 수행하게 되는 효과를 가진다고 할 것이다.Therefore, compared to performing interpolation on the pixels of the gamma-corrected video signal, performing gamma correction on the interpolated video signal has an effect of performing gamma correction by an ideal gamma curve.
전술한 바와 같이 본 발명은 이미지의 화질을 개선하기 위해 블랙 레벨의 보정, knee 보정 및 감마 보정을 제안하고 있으며, 이로 인해 하기와 같은 효과를 얻을 수 있다.As described above, the present invention proposes black level correction, knee correction, and gamma correction in order to improve the image quality of the image. Thus, the following effects can be obtained.
첫 번째로, 이미지 센서의 구조로 인해 발생하는 빛이 입사 되지 않는 영역들을 이용하여 블랙 레벨을 측정하고, 측정한 블랙 레벨을 입력 영상신호에 반영함으로써 원하는 블랙 레벨의 이미지를 표현할 수 있는 효과를 가진다.First, the black level is measured by using the areas where no light is generated due to the structure of the image sensor, and reflects the measured black level on the input image signal, thereby having an effect of expressing the desired black level image. .
두 번째로, knee 보정을 통해 고스트 이미지 현상이 발생하는 포화 영역을 줄임으로써, 보다 개선된 화질의 이미지를 표현할 수 있는 효과를 가진다.Second, by reducing the saturation region where ghost image phenomenon occurs through knee correction, it is possible to express an image of improved quality.
세 번째로, 보간이 이루어진 영상신호에 대해 감마 보정을 수행함으로써, 기존에 감마 보정에 의해 발생하던 오차 값을 줄일 수 있어 개선된 화질의 이미지를 표현할 수 있는 효과를 가진다.Third, by performing gamma correction on the interpolated video signal, it is possible to reduce an error value generated by gamma correction, thereby presenting an image of improved quality.
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